Cтраница 4
Прямая рекомбинация носителей происходит благодаря одноступенчатому переходу электрона из зоны проводимости в валентную зону. Причем избыточная энергия, выделяющаяся при рекомбинации и равная ширине запрещенной зоны полупроводника АЕ, затрачивается либо на образование лавины фоно-нов, либо на испускание фотона; в соответствии с этим рекомбинация называется безызлучательной или излучательной. Энергия рекомбинирующей пары носителей может быть также передана третьему носителю заряда в результате процесса соударения, или ударной рекомбинации. [46]
Если эффективные массы электронов и дырок равны, то межзонная рекомбинация Оже идет в основном с уровней энергии, отстоящих на 1 / 6 ширины запрещенной зоны от экстремумов зон. С увеличением ширины запрещенной зоны уровень, с которого рекомбинируют частицы, смещается к более высоким энергиям, заселенность его падает, что резко снижает скорость рекомбинации. Поскольку с понижением температуры электроны и дырки локализуются около экстремальных точек зон, где они не могут участвовать в ударной рекомбинации, скорость рекомбинации Оже характеризуется весьма резкой температурной зависимостью. [47]
Таким образом, в материалах, технология получения которых недостаточно совершенная или в которые специально добавлены примеси с глубокими уровнями, рекомбинация через примесные центры будет преобладать над межзонной рекомбинацией даже в случае, когда А. Оценки показывают, что межзонная рекомбинация преимущественно идет путем излучательной рекомбинации или ударной рекомбинации Оже. На рис. 44 также приведена схема этих механизмов рекомбинации. Переход / ( см. рис. 44) соответствует излучательной межзонной рекомбинации. Переходы 2 и 3 соответствуют межзонной ударной рекомбинации Оже. В переходе 2 энергия, выделяемая в акте рекомбинации электронно-дырочной пары, передается третьей частице - электрону, а в переходе 3 в качестве третьей частицы, поглощающей энергию, выступает дырка. [48]
Неравновесные носители ( электроны и дырки), созданные внешним полем или другими источниками, живут конечное время. Среднее время жизни называют временем рекомбинации тг. Избыточная энергия может передаваться решетке, электронно-дырочному газу или некогерентному ЭМП. В зависимости от способа передачи энергии различают соответственно безызлуча-тельную рекомбинацию через примесные уровни, ударную рекомбинацию ( типа Оже) и излучательную. Для теории, развиваемой в книге, конкретный механизм рекомбинации не играет роли, поэтому будем рассматривать для определенности излучательную рекомбинацию, которую можно учесть наиболее последовательно и которая вносит заметный вклад в полупроводниках типа AlnBv в интересующих нас интервалах концентраций электронов и температур. [49]
Ударная рекомбинация характеризуется передачей энергии, высвобождающейся при рекомбинации другому носителю, который рассеивает ее впоследствии при взаимодействии с колебаниями решетки. Ударная рекомбинация представляет собой процесс, обратный процессу ударной ионизации. Согласно [1791] этот механизм рекомбинации может играть существенную роль в Ge, причем сечения захвата в этом случае должны быть пропорциональными концентрации носителей тока. Найденная в [1748] независимость сечения захвата от концентрации показывает, что, по крайней мере, до: 1017 см-3 ударная рекомбинация в Ge не является доминирующей. [50]
Как уже отмечалось ( § 10), во многих полупроводниках в результате спин-орбитального взаимодействия валентная зона расщеплена. В InSb энергия расщепления А значительно больше ширины запрещенной зоны. Поэтому заброс дырок из зоны тяжелых дырок в отщепленную подзону маловероятен и его можно не учитывать. В случае InAs, GaSb, GaAs и некоторых других полупроводников значение А близко к Eg и влияние отщепленной зоны в ударной рекомбинации становится значительным. [51]
Все это однозначно доказывает, что в полупроводниках происходят процессы рекомбинации носителей, которые не сопровождаются испусканием квантов света. К числу таких процессов относится ударная рекомбинация. Этот механизм рекомбинации связан с взаимодействием трех носителей: двух электронов и одной дырки или двух дырок и одного электрона. Электрон и дырка рекомбинируют, а освободившаяся энергия и импульс передаются третьему носителю. Ударной рекомбинации соответствует обратный процесс - ударная ионизация: электрон или дырка, обладающие запасом кинетической энергии, вызывают рождение электронно-дырочной пары или ионизируют примесь. [52]
Технология получения полупроводниковых материалов, разработанная в настоящее время, не позволяет избежать преобладающей рекомбинации на рекомбинационных центрах при А. Таким образом, в материалах, технология получения которых недостаточно совершенная или в которые специально добавлены примеси с глубокими уровнями, рекомбинация через примесные центры будет преобладать над межзонной рекомбинацией даже в случае, когда A. Оценки показывают, что межзонная рекомбинация преимущественно идет путем излучательной рекомбинации или ударной рекомбинации Оже. На рис. 51 также приведена схема этих механизмов рекомбинации. Переход / ( см. рис. 51) соответствует излучательной межзонной рекомбинации. Переходы 2 и 3 соответствуют межзонной ударной рекомбинации Оже. В переходе 2 энергия, выделяемая в акте рекомбинации электронно-дырочной пары, передается третьей частице - электрону, а в переходе 3 в качестве третьей частицы, поглощающей энергию, выступает дырка. [53]
Очевидно, для различных конкретных механизмов генерации и рекомбинации кривые нарастания и спада избыточной концентрации будут иметь различный вид и, исследуя эти кривые, можно определять мгновенное время жизни. Изучая его зависимость от времени, температуры и концентрации носителей заряда, можно найти закон рекомбинации, на основании которого делаются выводы о возможном механизме рекомбинации в данном полупроводнике. Например, линейная рекомбинация может свидетельствовать об участии в рекомбинации рекомбинационных центров и невысоком уровне возбуждения. Квадратичная рекомбинация свойственна прямой межзонной рекомбинации, которая часто бывает излучательной. Ударная ионизация Оже, требующая участия трех свободных носителей заряда, должна следовать кубическому закону, и времена жизни легированных полупроводниках при ударной рекомбинации будут обратно пропорциональны квадрату концентрации основных носителей заряда, тогда как при прямой излучательной рекомбинации они. [54]
Далее, благодаря одинаковой температурной зависимости этих коэффициентов указанное соотношение, очевидно, сохранится во всей интересующей нас области температур. Однако коэффициент ударной рекомбинации B i отнюдь не обязательно мал по сравнению с B ( i. Bin становится ранным Вр. Такие концентрации действительно могут иметь место при наличии фона, так что если нет точных данных о концентрации свободных носителей тока, то заранее не ясно, какой ни механизмов рекомбинации преобладает при 4 2 К. Даже в отсутствие фона благодаря экспоненциальной температурной зависимости п ударная рекомбинация может преобладать при более высоких температурах. Минимальная температура У, при которой этот эффект наблюдается, для германия составляет примерно 7 К, для кремния-около 30 К. [55]
Таким образом, в материалах, технология получения которых недостаточно совершенная или в которые специально добавлены примеси с глубокими уровнями, рекомбинация через примесные центры будет преобладать над межзонной рекомбинацией даже в случае, когда А. Оценки показывают, что межзонная рекомбинация преимущественно идет путем излучательной рекомбинации или ударной рекомбинации Оже. На рис. 44 также приведена схема этих механизмов рекомбинации. Переход / ( см. рис. 44) соответствует излучательной межзонной рекомбинации. Переходы 2 и 3 соответствуют межзонной ударной рекомбинации Оже. В переходе 2 энергия, выделяемая в акте рекомбинации электронно-дырочной пары, передается третьей частице - электрону, а в переходе 3 в качестве третьей частицы, поглощающей энергию, выступает дырка. [56]
Технология получения полупроводниковых материалов, разработанная в настоящее время, не позволяет избежать преобладающей рекомбинации на рекомбинационных центрах при А. Таким образом, в материалах, технология получения которых недостаточно совершенная или в которые специально добавлены примеси с глубокими уровнями, рекомбинация через примесные центры будет преобладать над межзонной рекомбинацией даже в случае, когда A. Оценки показывают, что межзонная рекомбинация преимущественно идет путем излучательной рекомбинации или ударной рекомбинации Оже. На рис. 51 также приведена схема этих механизмов рекомбинации. Переход / ( см. рис. 51) соответствует излучательной межзонной рекомбинации. Переходы 2 и 3 соответствуют межзонной ударной рекомбинации Оже. В переходе 2 энергия, выделяемая в акте рекомбинации электронно-дырочной пары, передается третьей частице - электрону, а в переходе 3 в качестве третьей частицы, поглощающей энергию, выступает дырка. [57]